工學(xué)工程熱力學(xué)基本概念第1頁(yè)/共53頁(yè)一、熱能動(dòng)力裝置(Thermalpowerplant)

定義：從燃料燃燒中獲得熱能并利用熱能得到動(dòng)力的整套設(shè)備。分類共同本質(zhì)：由媒介物通過(guò)吸熱—膨脹作功—排熱

氣體動(dòng)力裝置(combustiongaspowerplant)

內(nèi)燃機(jī)(internalcombustiongasengine)

燃?xì)廨啓C(jī)裝置(gasturbinepowerplant)

噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)(jetpowerplant)……

蒸氣動(dòng)力裝置(steampowerplant)1-1熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的過(guò)程第2頁(yè)/共53頁(yè)二、工質(zhì)(workingsubstance;workingmedium)定義：實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。對(duì)工質(zhì)的要求:物質(zhì)三態(tài)中氣態(tài)最適宜。

1）膨脹性

2）流動(dòng)性

3）熱容量

4）穩(wěn)定性，安全性

5）對(duì)環(huán)境友善

6）價(jià)廉，易大量獲取第3頁(yè)/共53頁(yè)三、熱源(heatsource;heatreservoir)

定義：工質(zhì)從中吸取或向之排出熱能的物質(zhì)系統(tǒng)。?高溫?zé)嵩础獰嵩?/p>

（

heatsource）低溫?zé)嵩础湓矗╤eatsink）?恒溫?zé)嵩?constantheatreservoir)

變溫?zé)嵩?variableheatreservoir)第4頁(yè)/共53頁(yè)1-2熱力系統(tǒng)?熱力系統(tǒng)(thermodynamicsystem,system)

人為分割出來(lái)，作為熱力學(xué)研究對(duì)象的有限物質(zhì)系統(tǒng)。?

外界(surrounding)：與體系發(fā)生質(zhì)、能交換的物系。?邊界(boundary)：系統(tǒng)與外界的分界面（線）。一、定義第5頁(yè)/共53頁(yè)二、系統(tǒng)及邊界示例?汽車發(fā)動(dòng)機(jī)—開(kāi)口系統(tǒng)第6頁(yè)/共53頁(yè)?汽缸-活塞裝置（閉口系例）氣缸進(jìn)、排氣閥都關(guān)閉時(shí)，取氣缸內(nèi)工質(zhì)為系統(tǒng)—閉口系統(tǒng)進(jìn)排氣及燃燒膨脹過(guò)程一起研究，取氣缸為系統(tǒng)—開(kāi)口系統(tǒng)第7頁(yè)/共53頁(yè)?移動(dòng)和虛構(gòu)邊界第8頁(yè)/共53頁(yè)1）系統(tǒng)與外界的人為性

2）外界與環(huán)境介質(zhì)

3）邊界可以是

a）剛性的或可變形的或有彈性的

b）固定的或可移動(dòng)的

c）實(shí)際的或虛擬的注意：第9頁(yè)/共53頁(yè)三、熱力系分類

按組元數(shù)

①單元系(onecomponentsystem;puresubstancesystem)一種均勻的和化學(xué)成分不變的物質(zhì)組成的系統(tǒng)。

②多元系(multicomponentsystem)由兩種或兩種以上物質(zhì)組成的系統(tǒng)。

按相數(shù)

①單相系(homogeneoussystem)系統(tǒng)中工質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)都均勻一致的系統(tǒng)稱為單相系。

②復(fù)相系(heterogeneoussystem)由兩個(gè)相以上組成的系統(tǒng)稱為復(fù)相系。

注意：1）不計(jì)恒外力場(chǎng)影響；

2）復(fù)相系未必不均勻—濕蒸汽；單元系未必均勻—?dú)庖浩胶夥蛛x狀態(tài)。

1.按組元和相第10頁(yè)/共53頁(yè)

閉口系統(tǒng)（closedsystem）

（控制質(zhì)量CM）

—熱力系統(tǒng)和外界只有能量交換而無(wú)物質(zhì)交換

開(kāi)口系統(tǒng)（opensystem）

（控制體積CV）

—熱力系統(tǒng)和外界不僅有能量交換而且有物質(zhì)交換2.按系統(tǒng)與外界質(zhì)量交換第11頁(yè)/共53頁(yè)

1）閉口系統(tǒng)與系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量不變的區(qū)別；

2）開(kāi)口系統(tǒng)與絕熱系統(tǒng)的關(guān)系；

3）孤立系統(tǒng)與絕熱系統(tǒng)的關(guān)系。注意：4.簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)（simplecompressiblesystem）

—由可壓縮物質(zhì)組成，無(wú)化學(xué)反應(yīng)、與外界有交換容積變化功的有限物質(zhì)系統(tǒng)。絕熱系統(tǒng)（adiabaticsystem）—

熱力系統(tǒng)與外界無(wú)熱量交換;

孤立系統(tǒng)（isolatedsystem）—

熱力系統(tǒng)與外界無(wú)任何形式的能量和物質(zhì)交換。3.按能量交換第12頁(yè)/共53頁(yè)四、熱力系示例1．剛性絕熱氣缸-活塞系統(tǒng)，B側(cè)設(shè)有電熱絲紅線內(nèi)——閉口絕熱系統(tǒng)黃線內(nèi)不包含電熱絲——閉口系統(tǒng)黃線內(nèi)包含電熱絲——閉口絕熱系統(tǒng)蘭線內(nèi)——孤立系統(tǒng)第13頁(yè)/共53頁(yè)2．剛性絕熱噴管取紅線為系統(tǒng)—閉口系統(tǒng)取噴管為系統(tǒng)—開(kāi)口絕熱系統(tǒng)開(kāi)口系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)質(zhì)量是否越過(guò)邊界，絕熱系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)是否有熱量越過(guò)邊界。第14頁(yè)/共53頁(yè)３．A、B兩部落“雞、犬之聲相聞，民至老死不相往來(lái)”ABA部落為系統(tǒng)A+B部落為系統(tǒng)—孤立系統(tǒng)—閉口系統(tǒng)第15頁(yè)/共53頁(yè)1243mQW熱力系統(tǒng)1開(kāi)口系統(tǒng)1+2閉口系統(tǒng)1+2+3絕熱閉口系統(tǒng)1+2+3+4孤立系統(tǒng)第16頁(yè)/共53頁(yè)1-3工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù)

熱力學(xué)狀態(tài)（stateofthermodynamicsystem）

—熱力變化過(guò)程中某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況

狀態(tài)參數(shù)（stateproperties）

—描述物系所處狀態(tài)的宏觀物理量

1．狀態(tài)參數(shù)是宏觀量，是大量粒子的統(tǒng)計(jì)平均效應(yīng)，只有平衡態(tài)才有狀參，系統(tǒng)有多個(gè)狀態(tài)參數(shù)，如一、熱力學(xué)狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)二、狀態(tài)參數(shù)的特性和分類第17頁(yè)/共53頁(yè)2．狀態(tài)的單值函數(shù)物理上—與過(guò)程無(wú)關(guān)；數(shù)學(xué)上—其微量是全微分，沿閉合路線積分等于零。3．狀態(tài)參數(shù)分類

又：廣延量的比性質(zhì)具有強(qiáng)度量特性，如比體積工程熱力學(xué)約定用小寫字母表示單位質(zhì)量參數(shù)。①?gòu)?qiáng)度量（intensiveproperty

）

：與系統(tǒng)質(zhì)量無(wú)關(guān)，如P、T②廣延量（extensiveproperty）

：與系統(tǒng)質(zhì)量成比例，具有可加性，如V、U第18頁(yè)/共53頁(yè)三、系統(tǒng)狀態(tài)相同的充分必要條件

系統(tǒng)兩個(gè)狀態(tài)相同的充要條件：

所有狀態(tài)參數(shù)一一對(duì)應(yīng)相等簡(jiǎn)單可壓縮系兩狀態(tài)相同的充要條件：

兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)對(duì)應(yīng)相等第19頁(yè)/共53頁(yè)四、溫度和溫標(biāo)（temperatureandtemperaturescale）

溫度的定義：測(cè)溫的基礎(chǔ)—熱力學(xué)第零定律

(zerothlawofthermodynamics)

熱力學(xué)溫標(biāo)和國(guó)際攝氏溫標(biāo)

(thermodynamicsscale;Kelvinscale;absolutetemperaturescaleandinternalCelsiustemperaturescale)

熱力學(xué)溫標(biāo)單位：開(kāi)爾文，K。水的三相點(diǎn)的溫度，即固相、液相和氣相平衡共存狀態(tài)的溫度作為基準(zhǔn)點(diǎn)，并規(guī)定為273.16K。第20頁(yè)/共53頁(yè)第21頁(yè)/共53頁(yè)華氏溫標(biāo)和朗肯溫標(biāo)華氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)附：{T}°R={t}℉

+459.67{t}℃=5/9[{t}℉-32]{t}℉

=9/5{t}℃

+32第22頁(yè)/共53頁(yè)五、壓力(pressure)絕對(duì)壓力p(absolutepressure)表壓力pe（pg）(gaugepressure)真空度pv(vacuum;vacuumpressure)當(dāng)?shù)卮髿鈮簆b(localatmosphericpressure)壓力計(jì)所測(cè)得的壓力為工質(zhì)的真實(shí)壓力(或稱絕對(duì)壓力)與環(huán)境介質(zhì)壓力之差，叫做表壓力或真空度。第23頁(yè)/共53頁(yè)常用壓力單位：第24頁(yè)/共53頁(yè)環(huán)境壓力與大氣壓力環(huán)境壓力是壓力表所處環(huán)境注：環(huán)境壓力一般為大氣壓力，但不一定都是。第25頁(yè)/共53頁(yè)第26頁(yè)/共53頁(yè)六、比體積和密度比體積(specificvolume)單位質(zhì)量工質(zhì)的體積密度(density)單位體積工質(zhì)的質(zhì)量?jī)烧哧P(guān)系:第27頁(yè)/共53頁(yè)1-4平衡狀態(tài)1．定義：無(wú)外界影響系統(tǒng)保持狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間而改變的狀態(tài)熱平衡（thermalequilibrium）：在無(wú)外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界處處溫度相等。力平衡（mechanicalequilibrium）：在無(wú)外界作用的條件下，系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界處處壓力相等。熱力平衡的充要條件

—系統(tǒng)同時(shí)達(dá)到熱平衡和力平衡。一、平衡狀態(tài)（thermodynamicequilibriumstate）第28頁(yè)/共53頁(yè)討論：1）系統(tǒng)平衡與均勻2）平衡與穩(wěn)定—平衡可不均勻—穩(wěn)定未必平衡第29頁(yè)/共53頁(yè)*二、狀態(tài)公設(shè)（statepostulate）n—系統(tǒng)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)數(shù)；f—系統(tǒng)與外界交換功形式數(shù)。簡(jiǎn)單可壓縮系與外界僅有容積變化功一種形式第30頁(yè)/共53頁(yè)三、純物質(zhì)的狀態(tài)方程（puresubstancestateequation）狀態(tài)方程1．理想氣體狀態(tài)方程（ideal-gasequation;Clapeyron’sequation）Rg—?dú)怏w常數(shù)（gasconstant）R—通用氣體常數(shù)（universal(molargasconstant)摩爾質(zhì)量第31頁(yè)/共53頁(yè)２．實(shí)際氣體(realgas;imperfectgas)的狀態(tài)方程范德瓦爾方程（a,b為物性常數(shù)）R-K方程（a,b為物性常數(shù)）第32頁(yè)/共53頁(yè)BWR方程維里型方程第33頁(yè)/共53頁(yè)四、狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖（parametriccoordinates）

一簡(jiǎn)單可壓縮系只有兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)，所以可用平面坐標(biāo)上一點(diǎn)確定其狀態(tài)，反之任一狀態(tài)可在平面坐標(biāo)上找到對(duì)應(yīng)點(diǎn)，如：pv1p1v1Ts2T2s2pT3p3T3OOO第34頁(yè)/共53頁(yè)附：純物質(zhì)的p-v-T圖第35頁(yè)/共53頁(yè)水p-v-T圖第36頁(yè)/共53頁(yè)一、準(zhǔn)平衡過(guò)程（準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程）(quasi-staticprocess;quasi-equilibriumprocess)

定義：若過(guò)程進(jìn)行相對(duì)緩慢，工質(zhì)在平衡被破壞后自動(dòng)回復(fù)平衡所需的時(shí)間（馳豫時(shí)間）很短，工質(zhì)有足夠時(shí)間恢復(fù)平衡，隨時(shí)都不致顯著偏離平衡狀態(tài)。進(jìn)行條件：

破壞平衡的勢(shì)—

過(guò)程進(jìn)行無(wú)限緩慢工質(zhì)有恢復(fù)平衡的能力準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程可在狀態(tài)參數(shù)圖上用連續(xù)實(shí)線表示無(wú)窮小1-5工質(zhì)的狀態(tài)變化過(guò)程PAFPext第37頁(yè)/共53頁(yè)二、可逆過(guò)程(reversibleprocess)定義：工質(zhì)沿相同的路徑逆行而回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，并使相互作用中所涉及到的外界亦回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，而不留下任何改變，稱為可逆過(guò)程?？赡孢^(guò)程與準(zhǔn)平衡過(guò)程的關(guān)系：可逆過(guò)程必然是準(zhǔn)平衡過(guò)程；準(zhǔn)平衡過(guò)程只是可逆過(guò)程的必要條件。非準(zhǔn)靜態(tài)不可逆準(zhǔn)靜態(tài)可逆●單純傳熱過(guò)程第38頁(yè)/共53頁(yè)非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程

(non-equilibriumprocess)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，不可逆準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，可逆作功過(guò)程pFfpb第39頁(yè)/共53頁(yè)1.可逆=準(zhǔn)靜態(tài)+沒(méi)有耗散效應(yīng)

2.準(zhǔn)靜態(tài)著眼于系統(tǒng)內(nèi)部平衡，可逆著眼于系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)與外界作用的總效果

3.一切實(shí)際過(guò)程不可逆

4.內(nèi)部可逆過(guò)程的概念

5.可逆過(guò)程可用狀態(tài)參數(shù)圖上實(shí)線表示

討論：第40頁(yè)/共53頁(yè)一、功(work)的定義和可逆過(guò)程的功

1．功的力學(xué)定義

2．功的熱力學(xué)定義：通過(guò)邊界傳遞的能量其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。3．可逆過(guò)程功的計(jì)算▲功是過(guò)程量▲功可以用p-v圖上過(guò)程線與v軸包圍的面積表示1-2-n-m-11-6功和熱量nm第41頁(yè)/共53頁(yè)

系統(tǒng)對(duì)外作功為“+”

外界對(duì)系統(tǒng)作功為“-”5．功和功率的單位：附：4．功的符號(hào)約定：第42頁(yè)/共53頁(yè)6．討論有用功(usefulwork)概念其中:

W—膨脹功(compression/expansionwork)；

Wl—摩擦耗功；

Wp＿排斥大氣功。pbf第43頁(yè)/共53頁(yè)用外部參數(shù)計(jì)算不可逆過(guò)程的功?第44頁(yè)/共53頁(yè)二、廣義功(generalizedwork)簡(jiǎn)介彈性力功表面張力功

電極化功及磁化功等第45頁(yè)/共53頁(yè)三、熱量（heat）1．定義：僅僅由于溫差而通過(guò)邊界傳遞的能量。2．符號(hào)約定：系統(tǒng)吸熱“+”；放熱“-”3．單位：

4．計(jì)算式及狀態(tài)參數(shù)圖熱量是過(guò)程量（T-s圖上）表示第46頁(yè)/共53頁(yè)四、熱量與功的異同：

1.均為通過(guò)邊界傳遞的能量；

3.功傳遞由壓力差推動(dòng)，比體積變化是作功標(biāo)志；熱量傳遞由溫差推動(dòng)，比熵變化是傳熱的標(biāo)志；

4.功是物系間通過(guò)宏觀運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用傳遞的能量；熱是物系間通過(guò)紊亂的微粒運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互作用而傳遞的能量。功2.均為過(guò)程量；熱是無(wú)條件的；熱功是有條件、限度的。第47頁(yè)/共53頁(yè)思